智能假肢的人机接口构建技术——靶向肌肉神经功能重建

Abstract

目的

综述用于构建智能假肢人机接口的靶向肌肉神经功能重建（targeted muscle reinnervation，TMR）手术，为截肢患者的残肢功能重建提供新的临床干预范式。

方法

广泛查阅国内外相关文献，系统性阐述智能假肢的外科需求、TMR手术方案、目标人群与预后，以及TMR的发展与未来。

结果

TMR手术通过重建“大脑-脊髓-外周神经-骨骼肌”的神经传导通路，增加模式识别所需的表面肌电信号，促进截肢患者对于智能假肢的直觉操控。TMR术前应根据截肢患者的残肢情况及功能需求设计个性化手术方案，不同目的的TMR手术应针对不同目标人群。

结论

TMR手术已被国外认证为改善假肢操控能力的变革性技术，有望成为国内200万截肢患者新的临床干预范式。

当前我国截肢患者数量已超200万，权威预测这一数字将在未来显著增长，使截肢患者恢复残肢功能，既是重返社会的重要保障，又是完善国家公共健康事业的重要举措^[1]。目前，主要通过同种异体肢体移植与假肢功能代偿两种方法恢复残肢功能。数十年来，国内外对同种异体肢体移植技术进行了大量临床研究，虽然证明该技术可以重建部分肢体功能，但代价是受试者需承受长期免疫抑制治疗的副作用^[2-3]。而作为一种恢复肢体功能的传统手段，假肢功能代偿方案在神经信息解码、模式识别（pattern recognition，PR）与智能控制等技术得到高速发展的基础上，取得了重大进展，已逐渐成为恢复截肢患者残肢功能的首选方案^[4-5]。

最新的智能假肢已实现人体与假肢之间的直觉通信，使患者可通过直觉操控假肢运动，提升日常活动效率^[6]。智能假肢的临床应用依赖于外科理论与技术的更新^[7]，靶向肌肉神经功能重建（targeted muscle reinnervation，TMR）就是由骨科医生与工程专家共同开发的一种人机接口（human-machine interface，HMI）构建技术，旨在通过手术建立人类与假肢之间信号沟通的渠道，实现大脑对假肢的直觉操控^[8]。本文就TMR手术的发展背景及技术细节综述如下。

1. 智能假肢的外科需求

HMI包括利用脑电信号的脑机接口和利用表面肌电信号（surface electromyography，sEMG）的外周神经接口^[9]。相比脑电信号，sEMG具有易采集、信噪比高及抗干扰能力强等优势，更适合作为假肢操控的信号源^[10]。截肢患者大脑发出的肢体运动意图（limb movement intent，LMI）经中枢与外周神经传导至残端肌肉，引起肌肉收缩并产生肌电信号，再由贴附于皮肤的电极片采集sEMG。PR技术解析不同sEMG模式所对应的LMI，并操控假肢完成相应的肢体动作，最终实现运动意图的精准识别^[8]。

肌电假肢发展早期，1块肌肉收缩产生的sEMG只能用于控制假肢的1个运动方向。例如，经肱骨截肢患者残余肱二头肌及肱三头肌收缩产生的sEMG只能分别用于控制假肢肘关节屈曲与伸直，而无法实现假肢腕部及手部的多自由度操控^[11]。改良后的肌电假肢增加了模式切换功能，可通过激动肌和拮抗肌的协同收缩、快速重复收缩肌肉、晃动假肢或手动操控开关等多种方式切换假肢在不同自由度之间的运动^[12]。虽然这种模式安全可靠，但患者需经过长时间训练去适应这种非直观的控制逻辑，加之操作过程繁琐，影响了患者对假肢的接受程度。

近年来被广泛应用于智能假肢领域的PR技术是肌电假肢操控过程的核心。PR技术从多组sEMG中提取绝对平均值、波长、过零次数及包络等特征，进一步利用统计学、机器学习或深度学习等算法进行模式分类^[13-15]。然而，PR技术能否应用于截肢患者的重要前提，在于残肢是否能产生足够用于解码LMI所需的sEMG^[7]。高位截肢患者有限的残余肌肉所产生的sEMG不足，制约了sEMG-PR技术的直接应用。

因此，为解决高位截肢患者肌电信号不足所设计的TMR手术应运而生。大脑发出的LMI经过大脑-脊髓-外周神经-骨骼肌通路进行传导，截肢患者的传导通路在外周神经这一环节中断。研究表明截断后的神经组织在数十年内依然具有传递信息的能力，残余神经组织在转位后可以重新支配非原生肌肉^[9]。因此，如果能将外周神经中的神经电信号转化为肌电信号，就能弥补高位截肢患者残端肌电信号不足的缺陷。TMR手术将离断的外周神经转位至残端或躯干的肌肉组织，以重建截肢后中断的信号传导通路。术后这些接受神经转位的靶肌肉成为LMI传导通路上新增的“生物信号放大器”，增加了人体产生的sEMG数量，后者进一步被用于PR与多自由度肌电假肢的直觉操控^[9，16]。

2. TMR手术方案

TMR手术与传统神经断端处理技术最大区别在于，要求转位的神经能重新支配1块独立肌肉，而非简单包埋其中。TMR术中需首先去除靶肌肉原有的运动神经支配，以防止原生神经竞争性抑制转位神经长入。随后将较粗的神经主干与靶肌肉较细的运动神经残端缝合，形成“超神经支配”模式，并在尽可能靠近肌肉的运动神经入肌点附近进行缝合，从而减少神经功能重建所需时间。由此，靶肌肉在完成神经功能重建后，转位的神经组织替代了原生神经，传输由大脑发出的运动控制信号^[9]。截肢患者不同残肢情况及适配的假肢功能决定TMR是一种个性化手术，以下仅介绍经典的TMR手术方案。

2.1. 上肢截肢患者

上肢TMR手术方案的设计目的是保证术后残肢可产生明确可控的肌电信号^[9]。肌皮神经的固有功能是控制上臂屈肘肌群，因而对于上臂截肢患者，应首先将离断的肌皮神经转位至最佳靶肌肉运动神经位点，旨在重建术后可控的假肢屈肘信号。尺神经在前臂及手内发出的分支控制腕部及手内运动，而经上臂离断时，转位残存的尺神经主干可能产生不可预测的功能重建模式。因此，对于上肢高位截肢患者而言，神经转位的优先级依次为肌皮神经、正中神经、桡神经和尺神经，以恢复相对应的肘部屈曲、手部闭合、肘部伸展和手部打开及腕关节功能。

对于经肱骨截肢的患者^[17]，可根据残肢情况分别保留肱二头肌长头的肌皮神经和肱三头肌长头的桡神经近端，这两块肌肉收缩产生的sEMG可用于控制假肢肘关节的屈曲和伸直。将正中神经与桡神经远端分别转位至切断原有神经支配的肱二头肌短头及肱三头肌外侧头的运动神经，神经功能重建后产生的sEMG可用于控制假肢手部闭合与张开；尺神经则被转位至去神经支配的肱肌或喙肱肌的运动神经，用于控制假肢腕关节运动；三角肌和移植的前锯肌可作为备选肌肉。

经肩关节截肢患者^[17]的残余神经长度十分有限，应更加重视胸背部肌肉的利用。由于这些肌肉并不位于原有的肢体运动信号传导通路中，因而同样需要去神经支配。经典方案是将肌皮神经和桡神经近端分别转位至胸大肌锁骨头及前锯肌的运动神经，用于产生假肢屈肘与伸肘的控制信号；并将正中神经和桡神经远端分别转位至胸大肌胸骨头及背阔肌的运动神经，控制假肢手部的闭合与张开。尺神经可与转位后的胸小肌运动神经连接，用于控制假肢腕部运动^[9]。

经前臂及手部截肢的患者残余肌肉组织充足，其生理性产生的sEMG数量已可满足PR需要，无需进行额外手术干预。在此节段进行的TMR手术并非用于控制假肢^[18-19]。

2.2. 下肢截肢患者

下肢TMR手术方案考虑因素更多，除了需恢复关节运动范围，还要考虑维持下肢承重与平衡的需求。例如，臀部肌肉及残余的大腿内收肌群对于平衡保持、蹲坐等功能极为重要，去神经支配将导致难以预料的后果，严重时可能显著降低患者生活质量^[20]，因而并不适于作为靶肌肉。另外，陈旧性下肢高位截肢患者的大腿前、后侧肌肉可能出现废用性萎缩，难以产生有效的sEMG。这些因素决定了下肢可供功能重建的肌肉较为有限，需要工程专家深度参与设计个性化手术方案，目前只有少数团队完成了针对智能假肢的下肢TMR手术。

对于经膝关节截肢患者^[21]，可切断残余半腱肌和股二头肌长头远端的运动神经分支，并分别与离断的胫神经与腓总神经进行缝合。TMR术后患者踝关节假肢操控信号来自股二头肌长头及半腱肌，而膝关节的运动信号仍由原有肌肉提供。

对于经小腿及足部截肢患者，由于足趾的运动对日常生活影响不大，因而只需恢复假肢的踝关节运动^[22]。与低位上肢截肢患者相似，人体残余肌肉足以提供PR所需肌电信号，无需TMR手术也可实现假肢操控。

3. TMR目标人群与预后

合理选择目标人群是TMR成功与否的关键，不同目的的TMR手术应针对不同目标人群。如前所述，针对假肢控制而设计的TMR手术，主要是为了解决高位截肢患者残余肌肉sEMG不足的问题。除截肢水平以外，残余肌肉的质量也是判断患者能否接受TMR手术的重要因素。神经功能重建后，明显萎缩的肌肉无法产生有效肌电信号，因而术中应选择较厚（约1 cm）且宽大（3～5 cm）的肌肉作为功能重建目标^[9]。目前，最新的PR技术很大程度消除了相邻肌电信号串扰的影响，因而不再需要严格用脂肪瓣分隔相邻肌肉^[8]，但仍应尽量减少靶肌肉表面脂肪厚度，例如通过削减乳房内脂肪组织使胸大肌更加接近皮肤，从而产生更为清晰的肌电信号^[7]。另外，为了稳定采集sEMG，应适当限制目标肌肉的运动范围，防止因位移过大导致电极片无法检测到收缩肌肉的肌电信号。

TMR手术原理是重建大脑-脊髓-外周神经-骨骼肌的信号传导通路，因此禁止对大脑、脊髓或近端臂丛损伤患者实施该手术^[17]。对于先天性肢体缺失或幼儿时期截肢患者，大脑尚未形成操控肢体的正常生理信号，即便手术恢复了神经信号传导通路，患者也难以直观地利用LMI操控假肢^[4]。在设计TMR手术时还应充分考虑切断肌肉固有运动神经支配的后果，因为神经功能重建的产生是以牺牲肌肉原有运动功能为代价的“功能置换”。例如，以肌力明显下降肱二头肌作为转位目标，术后患者前臂上举动作将受到很大影响^[23]。在这种情况下，可使用再生外周神经接口技术将带血供的前锯肌、腹直肌等肌肉游离并移植于残肢，为TMR创建更多的肌肉靶点^[20]。

TMR手术对患者年龄并无明确要求，但考虑到年长者神经再生能力减退，研究者认为年轻患者可能有更好预后^[24]。患者在接受TMR后，目标肌肉的神经功能重建平均需要3～6个月，肌电假肢也只能在此之后进行适配与安装^[8]。在截肢手术的同时进行TMR手术，可避免手术本身导致的二次损伤。陈旧性截肢患者在TMR术后还需要接受针对性康复训练，以适应长期肢体缺失导致的认知能力下降^[23]。

近年来，TMR手术还被用于神经瘤及幻肢痛的防治领域，并取得了较好效果。截肢后，离断的神经轴突会自发向远端延伸，与周围结缔组织混杂再生而形成神经瘤性组织。传统治疗方法是在切断神经瘤后，将神经包埋于肌肉、骨骼、脂肪或静脉，但神经末端会继续生长并纤维化，依然存在神经瘤复发风险。TMR手术将近端粗大的游离神经主干重新与远端靶肌肉较细的运动神经终末支连接，使离断的神经“在合适的地方有事可做”^[25]，降低了神经瘤发生率，从而改善瘤性疼痛及残肢感觉神经造成的幻肢痛，但需注意TMR手术对中枢性幻肢痛无效^[26]。针对这一目的而设计的TMR手术对sEMG并无要求，因而对于各层面截肢患者均适用^[27]。近年来，临床随访研究均显示了TMR对于神经瘤及瘤性疼痛的防治效果，与经典的神经末端包埋技术对照的随机对照试验也表明TMR能够改善幻肢痛，并具有减轻残肢疼痛的潜力^[28-30]。TMR术中会对神经组织造成一定损伤，幻肢痛可能在术后出现恶化，4～6周后可逐渐恢复至术前水平^[17]。

针对TMR术中可能无法找到靶肌肉运动神经入肌点的问题，国外研究团队通过尸体解剖，分析了TMR靶肌肉运动神经入肌点的数量及分布区域，为确定手术切口位置提供指示^[31-32]。此外，高分辨率核磁共振、高频超声检查也对切口设计具有一定辅助作用。为充分探查运动神经入肌点，TMR术中可能需要大范围暴露软组织，而通过更为简单、无需显微操作的再生外周神经接口技术包裹神经末端，也有助于降低神经瘤及幻肢痛的发生率^[33]。另外，随着PR技术的发展，未来将无需完全去除靶肌肉的神经支配，利用智能算法即可完成混杂信号的分类与识别，从而显著降低手术难度。

4. TMR手术的发展与未来

1980年，美国国立卫生研究院（NIH）神经与交流障碍和中风研究所的Gerry Loeb和Andy Hoffer在研究中发现，运动神经轴突被切断后发生萎缩，导致神经电信号变得微弱而难以稳定采集。由此，二人提出了将神经残端转位到供体肌肉上的“靶向神经功能重建”的概念，这也成为最早的TMR雏形。2002年，美国芝加哥康复研究所（RIC，现已更名为Shirley Ryan Ability Lab）的Todd A. Kuiken教授与美国西北大学范伯格医学院手外科整形医师Gregory Dumanian共同设计了首例经肩关节水平截肢患者TMR手术，重建了肩关节离断者的肌电信号并实现了多功能肌电假肢的直觉控制^[16]。2015年，中国科学院深圳先进技术研究院李光林教授与深圳南山医院李文庆教授团队合作，完成了亚洲首例经肱骨截肢患者的TMR手术，实现了多功能肌电假肢的直觉控制^[34]。2018年，上海交通大学张定国教授团队与复旦大学附属华山医院徐文东教授团队合作，成功实施了经肱骨截肢患者的TMR手术，术中对肱二头肌、肱三头肌及三角肌进行了神经转位^[35]。2023年，国家康复辅具研究中心毕胜教授团队、中国科学院深圳先进技术研究院李光林教授团队与南方科技大学医院裴国献教授团队合作的首例高位截肢“爪形”TMR手术也已完成。至今，美国、欧洲团队已成功实施了四肢各节段截肢患者的TMR手术，其适应证也从最初的假肢操控扩展到神经瘤与幻肢痛的防治，同时国外与TMR手术相配套的商业化智能肌电假肢也发展迅速，促进了TMR技术的临床推广^[12，36]。

人工智能时代的到来给骨科医生带来的不仅是艰巨挑战，更是难得的机遇。TMR技术就像是骨科医生从数字骨科工具箱中得到的一把钥匙，打开了通往智能假肢控制的大门，我们将秉持开放的态度迎接智能假肢的到来。TMR作为极具前景的神经瘤与幻肢痛防治技术，在软组织条件允许前提下，一期TMR手术也将在未来显示出重要价值。TMR手术与智能假肢的发展和推广，将有望为我国200多万截肢患者的身体与心理建设提供新的临床干预范式。

利益冲突　在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突，经费支持没有影响文章观点及报道

作者贡献声明　郭耀、赵巍、黄剑平：文章撰写及修改；申明奎、李思敬、刘诚：文献检索及筛选；苏秀云、李光林、毕胜、裴国献：观点形成及综述构思

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